建模一个容错燃料控制系统

这个示例使用:

开放模式

这个例子展示了如何结合Stateflow®与仿真软件®高效混合动力系统模型。金宝app这种类型的建模系统是特别有用的,它有许多可能的运作模式的基于离散事件。传统的信号流在仿真软件中处理而变化控制在Stateflow配置实现。金宝app下面描述的模型代表一个汽油发动机燃油控制系统。系统是非常健壮的个体传感器故障检测和控制系统动态重新配置为不间断操作。

分析和物理

身体和经验关系形成的基础的节流和进气歧管动力学模型。空气燃料比是计算空气质量流率除以从进气歧管(泵)的燃料质量流率(注射阀)。理想的(即化学计量)混合比例提供了一个良好的权力之间的妥协,燃油经济性和排放。这个系统的目标空燃比是14.6。通常,一个传感器确定残余废气中氧的数量(自我)。这给一个好迹象的混合比例,并提供反馈闭环控制的测量。如果传感器显示高氧水平,控制律增加了燃料消耗率。当传感器检测到一个富油混合物,对应于一个非常低水平的残余氧气,控制器减少燃料消耗率。

建模

图1显示了仿真软件模型的顶层。金宝app打开模型,点击开放模式。在模型窗口中按下播放按钮工具栏运行仿真。模型加载必要的数据到模型空间sldemo_fuelsys_data.m。记录相关数据模型在数据结构称为MATLAB工作区sldemo_fuelsys_output检查员和流数据仿真数据。记录信号标有蓝色的指标而流信号上有浅蓝色徽章(见图1)。

注意,初始条件加载到模型空间使仿真数据与数据在其他开放模型,您可能已经开放。这也有助于避免MATLAB工作区弄乱。视图的内容模型工作区选择建模模型浏览器>,并单击模型空间模型层次结构的列表。

注意单位是可见的图标和信号线路模型和子系统。单位指定的港口和总线上的对象。

图1:顶层图燃料控制系统模型

仪表板子系统(如图2所示)允许您在仿真与模型交互。故障注入开关可以从正常失败位置来模拟传感器故障,而发动机转速选择开关可以连接改变发动机转速。燃料和空气/燃料比信号可视化使用仪表板指标和范围提供视觉反馈在模拟运行。

图2:仪表板子系统的燃料控制系统模型

fuel_rate_control使用信号系统的传感器来确定了化学计量混合的燃料消耗率。燃料消耗率结合实际发动机的空气流气体动力学模型来确定最终的混合比例感觉到排气。

您可以选择性地禁用的四个传感器(节气门角度、速度、自我和歧管绝对压力[图])通过使用滑动开关在仪表板子系统,模拟故障。金宝app仿真软件实现通过绑定滑动开关的值参数恒定的块。双击打开仪表板子系统控制仪表板改变开关的位置。类似地,您可以诱导的失败条件高的引擎速度切换引擎速度开关仪表盘上的子系统。重复表块提供了节气门角度输入和周期性重复的序列数据中指定的面具。

fuel_rate_control块,如图3所示,使用传感器的输入和反馈信号调整燃料消耗率化学计量比。模型使用三个子系统来实现这种策略:控制逻辑,气流计算,计算和燃料。在正常操作下,模型估计,气流速度和繁殖所需的比率的倒数的估计燃料消耗率。氧传感器提供了一个闭环的反馈调整率估计为了保持理想的混合比例。

图3:燃料消耗率控制器子系统

控制逻辑

单个Stateflow图表,由一组6个平行状态,实现了控制逻辑。四个平行的状态图4的顶部显示对应于四个单独的传感器。剩下的两个平行状态底部同时考虑四个传感器的状态,并确定整个系统的操作模式。模型同步调用整个Stateflow图在例行抽样时间间隔为0.01秒。这允许转换到正确的模式的条件及时进行测试。

来开放的control_logic Stateflow图,双击它在fuel_rate_control子系统。

图4:控制逻辑图

当执行开始,所有的州开始的正常的模式除氧传感器(自我)。的O2_warmup状态输入最初直到预热阶段完成。系统检测到节流和压力传感器故障时测量值超出额定范围。一个歧管真空在缺乏速度信号表明速度传感器故障。氧传感器也有标称范围失败条件,但因为零是最小信号电平和底部的范围,失败只能当它检测到超过上限。

无论传感器失败,总是生成定向事件广播模型Fail.INC。这样普遍的触发传感器故障逻辑是独立的传感器。模型还使用相应的传感器恢复事件,Fail.DEC。的失败状态跟踪失败的传感器的数量。每个计数器增量Fail.INC事件和精神性在每个失败。12月的事件。该模型使用了一个超级大国,多,集团所有情况下,多个传感器已经失败了。

底部平行状态代表了引擎的推动模式。如果单个传感器失败,继续施工,但空气/燃料混合物丰富允许平滑运行在更高的碳排放的成本。如果多个传感器已经失败,引擎关闭作为一项安全措施,自不能可靠地控制空气/燃料比。

氧传感器热身期间,混合模型保持在正常水平。如果这是不满意,你可以改变设计通过移动热身状态中Rich_Mixture极权主义国家。如果在热身期间,发生传感器故障Single_Failure热身时间流逝后状态输入。否则,正常的状态是激活的。

超速保护功能被添加到模型中创建一个新的国家Fuel_Disabled极权主义国家。通过使用历史的交叉点,我们保证图返回到适当的状态当模型出口超速状态。作为发动机的安全要求成为更好的指定,我们可以添加额外的关闭状态Fuel_Disabled极权主义国家。

传感器校正

当一个传感器失败时,传感器的模型计算估计。例如,开放压力传感器的计算。传感器在正常操作中,模型使用压力传感器的值。否则,模型估计的值。

模型计算估计管道内压力的发动机转速和油门位置的函数。模型计算值,使用仿真软件Stateflow内部函数。金宝app

气流计算

气流计算块(如图6所示)的位置是中央控制的法律。这个块里面fuel_rate_control子系统(打开这个块)。块估计进气气流来确定燃料消耗率赋予适当的空气/燃料比。闭环控制调整估计根据反馈为了保持残留的氧气混合比例精确。即使一个传感器故障命令开环运行,最近闭环调整保留最好的满足控制目标。

图6:气流估计和校正

方程1

发动机的进气气流可以制定产品的发动机转速,歧管压力和时变比例因子。

$$ q = \压裂{N}{4 \π}V_ {cd} \ν\压裂{P_m} {RT} = C_{泵}(N, P_m) N P_m = \ mbox{进气质量流量}$$

$$ N = \ mbox{发动机角速度(Rad / sec)} $$

$$ V_ {cd} = \ mbox{发动机气缸位移量}$$

$$ \ν= \ mbox{体积效率}$$

$$ P_m = \ mbox{歧管压力}$$

$$ R T = \ mbox{特定气体常数,气体温度}$$

Cpump由一个查找表计算,乘以速度和压力形成初始流量估计。在瞬变过程中,调节率,导数近似高通滤波器,纠正充填动力学的气流。根据控制算法提供了额外的修正方程2。

方程2

$$ $ e_0 = 0.5 \ mbox \ le 0.5 $ ${}的自我$

$$ e_0 = -0.5 \ mbox{}的自我& # 62;0.5 $$

$$ $ e_1 = K_i (N, P_m) e_0 \ mbox \ le 0.5 $ ${}的自我$

$$ \点{e_2} = e_1 \ mbox{低模式有效的自我信号}$$

$$ \点{e_2} = 0 \ mbox{富裕,禁用或自我热身}$$

$$ e_0, e_1、e_2 = \ mbox{中间误差信号}$$

图7:发动机气体动力学子系统

图8:混合与燃烧块引擎内的气体动力学子系统

非线性氧传感器(自我传感器块)被发现在混合和燃烧块(见图8)引擎内的气体动力学子系统(参见图7)。自我传感器建模为双曲正切函数,它提供了一个有意义的信号,当附近的0.5伏特。原始误差的反馈回路与切换阈值,从而发现在方程2表示。如果空气燃料比低(精益混合物),原来的空气估计太小了,需要增加。相反,当氧传感器输出高,空气估计太大,需要降低。积分控制是利用,以便修正项达到的水平带来零稳态误差的混合比例。

正常的闭环操作模式,低,动态地调整积分器误差降到最低。在离散时间执行集成,更新每10毫秒。然而,当操作开环在富裕或O2失效模式,反馈错误被忽略和集成器。这给了最好的修正基于最近的有效反馈。

燃料计算

fuel_calc子系统(fuel_rate_control子系统中,见图9)设置喷射器信号匹配给定的气流计算和故障状态。第一个输入是气流估计计算。这是与目标燃料/空气比率乘以吩咐燃料消耗率。通常的目标是化学计量,即等于最优的空气燃料比为14.6。当传感器发生故障时,Stateflow控制逻辑输入模式设置为2或3的值(富裕或残疾人)的混合物是稍微丰富化学计量或完全关闭。

图9:fuel_calc子系统

fuel_calc子系统(图9)使用可调补偿(图10)为了达到不同的目的在不同的模式。在正常操作中,反馈校正信号的相位超前补偿增加了闭环稳定裕度。在丰富的模式和自我传感器故障(开环),然而,复合燃料信号是低通滤波衰减估计过程中引入的噪声。最终的结果是代表燃料流量信号,在实际的系统中,将翻译喷油器脉冲。

图10:可切换的补偿子系统

结果和结论

仿真结果图11和图12所示。仿真运行的油门输入坡道从10到20度了两秒钟,然后回到10度未来两秒。这个循环不断重复而引擎举行一个恒定的速度,这样用户可以尝试不同的故障条件和失效模式。点击一个传感器故障开关在仪表板子系统模拟的失败相关的传感器。重复这个操作幻灯片切换正常运行。

图11:比较不同传感器的燃料流量的失败

图11比较了燃料流量在无故障的情况下(基线)应用于单一的存在失败率在每个单独的传感器。在每种情况下注意燃料流量之间的非线性关系和三角节流命令(如图13)。在基线情况下,燃油率监管严格,表现出一个小涟漪由于自我传感器的输入电路的开关特性。在其他四个情况下系统开环运行。控制策略被证明是有效的在维护正确的燃料在单失效模式。在每个故障的情况下,燃料消耗率基本上是125%的基线流,实现丰富的设计目标80%。